真有效值转换
应用指南
第2版
作者:Charles Kitchin、
Lew Counts
©1986 Analog Devices, Inc. 版权所有。美国印制。
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Analog Devices, Inc.不保证本文所描述的电路互连不会侵犯
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据本文内容制造、使用或销售设备。
规格和价格如有更改,恕不另行通知。
G803a-30-5/86
简介
本应用指南阐述集成电路真有效值转换器AD536A、
AD636和AD637的工作原理,并介绍了这些器件的许多
实际应用电路。这些集成电路具有低成本、低功耗和高
(激光调整)精度特性,使得真有效值(RMS)计算成
为一项实用、可行的技术,可用来获取波形的功率测量
值或标准偏差。以前,采用模块式、混合式、或分立式
器件的真有效值(RMS)转换器不仅成本高,而且相对
复杂,往往使“真有效值”成为只能在实验室利用专门
仪器得到的稀罕之物。
除具体应用之外,本指南还简要说明了真有效值的数学
内涵,并将真有效值方程式的各种实现方法做了比较,
例如:热计算、隐式计算、显式计算、以及更常用的“均
值”整流值非真有效值检波器。我们希望这些背景信息
有助于消除有关真有效值计算的一些神秘感,帮助设计
人员以创新的方式熟练运用ADI公司的真有效值转换
器,以及一般意义上的真有效值测量技术。
我们对以下人士给予的支持和帮助表示衷心感谢:以
Marie Etcheils为首的ADI公司通信服务艺术部门全体
员工(Lea Cook、Joan Costa、Terri Dalton、Wendy
Geary、Ernie Lehtonen、Sue Lortie、Cammy O'Brien)
对本指南中的图表进行了精心排版处理;Julie Williams
输入并校对了本指南手稿;Andy Wheeler 、 Eric
Janson、Paul Brokaw、Doug Grant仔细审阅了本指南
的内容;Chuck Ayres对噪声测量提出了真知灼见;Don
Travers和ADS应用小组提供了许多实用建议;以及
Rieh Frantz和Jeff Riskin在这项漫长的工作中给予了支
持和鼓励。
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目录
第一部分:真有效值转换——理论 ........................................................................................................................ 1
基本定义................................................................................................................................................................ 1
真有效值(rms)的定义 .................................................................................................................................... 1
波峰因数的定义 ................................................................................................................................................. 1
交流测量的整流器或MAD方法............................................................................................................................... 1
真有效值转换方法 ................................................................................................................................................. 2
真有效值转换 ..................................................................................................................................................... 2
真有效值转换器的各种计算方法 ........................................................................................................................ 3
直接或显式计算 ................................................................................................................................................. 3
间接或隐式计算 ................................................................................................................................................. 3
单片真有效值转换器——工作原理 ........................................................................................................................ 4
AD536A – 宽量程真有效值转换器..................................................................................................................... 4
AD636 – 低功耗/低输入电平真有效值转换器 .................................................................................................... 4
AD637 – 高性能真有效值转换器 ....................................................................................................................... 4
第二部分:真有效值转换——基本设计考虑因素................................................................................................... 7
真有效值转换器的精度 .......................................................................................................................................... 7
“静态”误差——真有效值转换器静态误差及其对总体精度的影响................................................................... 7
带宽考虑因素 .............................................................................................................................................. 9
外部失调和比例因子调整 .............................................................................................................................. 10
滤波器与求平均值 ............................................................................................................................................... 12
简介 ................................................................................................................................................................. 12
求平均值与滤波时间常数 ................................................................................................................................. 12
直流误差与输出纹波 ........................................................................................................................................ 12
标准真有效值连接............................................................................................................................................ 14
设计考虑因素——误差与纹波 .......................................................................................................................... 14
滤波与建立时间 ................................................................................................................................................... 15
建立时间与输入电平——仅限AD536A和AD636 .............................................................................................. 15
用单极滤波器减少纹波和缩短总建立时间 ........................................................................................................ 16
使用后置滤波器时的建立时间估算................................................................................................................... 17
双极输出滤波器 ................................................................................................................................................... 18
确定真有效值测量系统的综合误差 ...................................................................................................................... 18
用内部缓冲放大器隔离滤波电路 .......................................................................................................................... 19
输入波形的对称性、直流失调和占空比对所需C
AV
值的影响 ................................................................................ 20
误差与波峰因数 ................................................................................................................................................... 21
AD536A ........................................................................................................................................................... 21
AD636 ............................................................................................................................................................. 21
AD637 ............................................................................................................................................................. 21
单电源供电 .......................................................................................................................................................... 21
AD536A ........................................................................................................................................................... 21
AD636 ............................................................................................................................................................. 22
AD637 ............................................................................................................................................................. 22
dB输出支持 ......................................................................................................................................................... 22
基本工作原理 ................................................................................................................................................... 22
AD536A/AD636温度补偿 ................................................................................................................................. 23
AD637温度补偿 ............................................................................................................................................... 24
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第三部分:真有效值应用电路 ............................................................................................................................. 25
自动增益控制(AGC) ............................................................................................................................................ 25
rms-AGC放大器............................................................................................................................................... 25
音频rms-AGC放大器........................................................................................................................................ 26
仪器仪表.............................................................................................................................................................. 28
低成本真有效值数字式面板表(DPM)................................................................................................................ 28
便携式高阻抗输入真有效值DPM和dB计 .......................................................................................................... 29
低功耗、高输入阻抗dB计 ................................................................................................................................ 30
调制解调器线路监控器..................................................................................................................................... 31
数据采集.............................................................................................................................................................. 32
可编程增益真有效值测量系统 .......................................................................................................................... 32
用真有效值仪表放大器进行低电平真有效值测量 ............................................................................................. 33
真有效值噪声测量 ............................................................................................................................................... 35
简介 ................................................................................................................................................................. 35
输入耦合对输入滤波器性能的影响................................................................................................................... 35
确定输入滤波器的噪声增益.............................................................................................................................. 35
实用步骤 .......................................................................................................................................................... 35
确定精确噪声增益............................................................................................................................................ 36
利用真有效值转换器处理噪声 .......................................................................................................................... 36
选择C
AV
值........................................................................................................................................................ 36
实用噪声测量电路............................................................................................................................................ 36
低频测量.............................................................................................................................................................. 37
简介 ................................................................................................................................................................. 37
低频真有效值-直流转换器电路......................................................................................................................... 38
超低频真有效值转换器电路.............................................................................................................................. 38
微处理器控制真有效值功能电路 .......................................................................................................................... 40
采用微处理器(μP)控制平均值/建立时间常数的真有效值转换器电路 ........................................................... 40
利用VMOS FET快速复位真有效值转换器电路................................................................................................. 41
采用微处理器(μP)控制的模拟平方器电路.................................................................................................... 42
其它数学计算....................................................................................................................................................... 43
利用AD637进行向量求和................................................................................................................................. 43
功率测量.............................................................................................................................................................. 44
简介 ................................................................................................................................................................. 44
关于伏-安(Volt-Ampere)、瓦(Watt)和乏(Var,无功功率单位) ..................................................................... 44
实用功率测量 ................................................................................................................................................... 45
附录A:真有效值转换器的关键参数测试............................................................................................................. 47
简介 ................................................................................................................................................................. 47
精度与波峰因数关系测试 ................................................................................................................................. 47
交流精度测试 ................................................................................................................................................... 48
直流转换精度测试............................................................................................................................................ 48
直流和交流线性度测试..................................................................................................................................... 48
使用交会图加快测试真有效值转换器................................................................................................................... 49
简介 ................................................................................................................................................................. 49
设置交会图测试系统 ........................................................................................................................................ 49
交会图样评估 ................................................................................................................................................... 50
真有效值交会图测试仪 ........................................................................................................................................ 51
电路描述 .......................................................................................................................................................... 51
校准 ................................................................................................................................................................. 52
附录B:输入缓冲放大器的要求 ........................................................................................................................... 53
输入缓冲器的必要性 ........................................................................................................................................ 53
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